什么是着色器 (Shaders)#

着色器本质上是运行在 GPU（显卡）上的程序。在 OpenGL 绘图流程中，我们需要在 GPU 上运行代码来处理我们发送过去的顶点数据。

  • 当你调用 glCompileShader(id) 时，显卡驱动（运行在 CPU 上）会获取这个字符串。显卡驱动里内置了一个编译器。它会将你的 GLSL 源代码翻译成该显卡硬件能听懂的机器码（微指令）。由于不同品牌的显卡（NVIDIA, AMD, Intel）底层指令集完全不同，所以 Shader 必须在你的电脑上“现场编译”，而不能像 C++ 那样预先编译成 .exe。编译好的二进制指令会被发送并存储在 GPU 的显存中。当你执行 glDrawArrays 时，GPU 会激活这些指令，大规模并行地处理你传进去的顶点数据。
  • 我们需要显卡的能力在屏幕上绘制图形，所以需要程序完全在显卡上运行，当然部分代码需要在CPU上运行
  • 着色器的本质，就是告诉GPU如何处理CPU发送给他的数据

渲染管线概述 (The Graphics Pipeline)#

解释了数据从 CPU 发送到 GPU 后的处理过程。渲染管线是一系列将 3D 坐标转换为屏幕上 2D 像素的步骤。

渲染管道：在CPU上写了一堆数据，之后向显卡发送了一些数据，然后发送了DrawCall指令（发送指令前绑定了一些状态），最后进入了着色器的阶段，GPU实际处理DrawCall指令并在屏幕上绘制一些东西

着色器#

顶点着色器和片段着色器是顺着管道的两种不同的着色器类型，发出DrawCall指令后，顶点着色器被执行，然后再经过一些阶段后 是片段着色器

顶点着色器 把 3D 空间的坐标转换成屏幕上的 2D 坐标（术语叫标准化设备坐标） ->几何着色器 增减图形：可以把一个点变成一个三角形，或者把一个三角形删掉。这里，几何着色器根据这 3 个点，计算出了第 4 个点的位置，并把它们重新组合。输出：它“发射”出了足够的顶点，组成了两个独立的三角形图元。 ->图元组装 把处理好的点“连线” ->光栅化 计算这个三角形到底盖住了屏幕上哪些像素格子 ->片段着色器 根据光照、纹理、材质，给这个像素算出一个最终的 RGBA 值 ->测试与混合 深度测试 (Depth Test)：检查这个像素是不是被别的物体挡住了。模板测试：一些特殊遮罩效果。混合 (Blending)：如果是半透明的，就把它和背景颜色融合

drawCall->顶点着色器->片段着色器->像素

  • 顶点着色器 (Vertex Shader)
    • 职责：处理每个顶点的数据。
    • 核心任务：确定顶点在屏幕上的最终位置（设置 gl_Position）。
    • 它会针对每个传入的顶点执行一次 比如三角形三个顶点就是三次 。
    • 但是缓冲区的顶点，会包括好几个属性（位置是其中之一）
  • 片元着色器 (Fragment/Pixel Shader)
    • 职责：决定每个像素（片元）最终显示的颜色。
    • 核心任务：为光栅化后生成的每个像素填充颜色（输出颜色向量）。
    • 它会针对需要绘制的每个像素执行一次。 可能有几十万次上百万次，比如1080p，就是 1920x1080 约 207万 像素。
  • 光栅化 光栅化并不直接计算颜色，它的核心任务是坐标转换和插值 (Interpolation)：
    • 确定片元： 它把顶点着色器输出的几何图形（三角形）映射到屏幕像素网格上，确定哪些像素被图形覆盖。
    • 属性插值： 关键点在这里。它会根据三角形三个顶点的属性（如颜色、法线、纹理坐标），通过重心坐标算法计算出三角形内部每个像素点对应的属性值。
      • 例如： 顶点 A 是红色，顶点 B 是蓝色，光栅化会计算出中间某个像素应该是“紫红色”。
  • 性能
    • 片段着色器执行的次数是像素次数，顶点着色器执行的次数的顶点个数。因此如果考虑性能优化，关键操作尽量在顶点着色器中处理，把数据处理后再从顶点着色器传递到片段着色器
    • 但是有些东西显然需要按像素计算，比如光源，每个像素都有一个颜色值，这个值由很多东西决定的，比如光源、环境、纹理等，一起确定了像素的正确颜色。还取决于相机在哪。片段着色器所有因素决定了单个像素的颜色

GLSL (OpenGL Shading Language)#

介绍用于编写着色器的语言 GLSL。它的语法非常接近 C 语言，专门为==向量运算和并行处理==而设计。

  • 为什么需要着色器 在现代 OpenGL（Core Profile）中，没有默认的着色器。如果你不编写顶点和片元着色器，屏幕上将不会渲染任何内容。这与旧式的固定函数管线（Fixed-Function Pipeline）有本质区别。
  • 数据传递：从顶点到着色器 解释了之前课程中设置的顶点缓冲区（Vertex Buffer）和布局（Layout）是如何进入顶点着色器的。
  • 着色器在代码中的基本结构 演示了如何在 C++ 中==以字符串形式定义着色器源码，并初步提及了编译（Compile）和链接（Link）着色器程序==的必要性。
  • 总结与下集预告 强调了理解==“顶点处理”与“颜色处理”分离==的重要性。下一集将实际编写并编译这些代码。

学习建议： 这一集偏重理论。重点在于理解顶点着色器决定“在哪里画”，而片元着色器决定“画什么颜色”。这对后面学习==矩阵变换（MVP）和光照模型==至关重要。

Backward 07编写一个着色器 05顶点属性和内存布局 Forward